重质委油脱油沥青制备湖沥青代替品技术研究*

黄小侨，岳宗豪，江发强，邵子奇，李雨师

(1.中石油燃料油有限责任公司研究院，北京 100195； 2.中石油燃料油有限责任公司华北销售分公司，北京 100123)

重质委油脱油沥青(DOA)是溶剂脱沥青工艺中除脱沥青油以外的主要产品，主要成分为胶质、沥青质及少量油分，其软化点高、针入度低、延展性和黏结性差。我国脱油沥青虽然生产规模较大，且经济成本相对廉价，但由于产品的低温性能较差，除少量用于生产道路沥青、建筑沥青[1-4]及碳素的材料外，其他方面的利用研究较少。我国对脱油沥青的研究侧重于其生产工艺，对其产品的利用也仅限于少数方面[5]。因此，拓宽脱油沥青应用领域，提高其附加值对于完善溶剂脱沥青工艺，提高重油加工的整体效益具有重要的意义。

目前人们形成共识的湖沥青以特立尼达湖为代表。特立尼达湖沥青是一种天然沥青，自1860年起，开始应用于建筑及道路工程中。目前，使用特立尼达湖沥青的国家及地区已达三十多个，而且已被一些主要的发达国家如美英等国指定使用。中国自1973年开始使用该沥青，1999年后大批量使用在机场、高速公路等工程上。实践证明，掺入一定量特立尼达湖沥青制备的改性沥青可以显著地改善沥青的表面层结构和路用性能。但由于湖沥青价格高于普通道路沥青和建筑沥青且资源有限，在道路铺设过程中的使用量又较大，故制约了它的大范围推广使用。本研究以委油生产的DOA等为原料，复配一定量的无机矿物质，制备湖沥青替代品，并以此替代品为改性剂，昆仑AH-90为基质沥青，制备改性沥青，并对其进行评价。

1 主要原料

本研究使用委油生产的DOA原料及目标产品(湖沥青)的部分性质见表1。

表1 DOA与湖沥青基本性质

从表1中可以看出，湖沥青在甲苯中的溶解度只有56.70%，灰分质量分数为35.90%，从灰分和甲苯不溶物可以看出，湖沥青中的不溶物主要是黏土类物质。从DOA的性质可以看出，其溶解度远远高于湖沥青，灰分含量远远低于湖沥青，也就是说作为道路沥青黏结剂的有效组分DOA远远高于湖沥青。

研究表明湖沥青之所以是良好的道路沥青改性剂，是因为其含有大量的无机矿物质成分，为了确定本研究选用的无机矿物质的组成，对湖沥青中的矿物质进行了X射线衍射分析，得到了它的无机矿物质组成，并通过显微镜得到了无机矿物质的粒径分布。

根据X射线衍射分析中各个峰的位置、强度、高度初步判断可能含有的矿物质，然后根据某种矿物质的PDF卡在谱图中找到相应的特征峰的位置，从而判断该物质是否存在以及计算某种矿物质在总矿物质中的相对含量。湖沥青与拟选无机矿物质的矿物组成见表2。

表2 湖沥青与拟选无机矿物质的矿物组成

从表2可以看出，湖沥青中的矿物质约一半是以高岭石为主的黏土矿，而另外的主要是石英，同时含有极少量的黄铁矿、斜长石和矿物盐；拟选无机矿物质成分主要是蒙脱石黏土矿(87%)和石英(10%)。研究中通过加入拟选无机矿物质和AH-70，制备出的硬沥青母体与湖沥青的性质相似。

2 结果与讨论

2.1 湖沥青替代品的制备及评价

本研究制备湖沥青替代品的步骤是，基质沥青加热到200 ℃后加入一定比例DOA和无机矿物质，搅拌2 h，停止加热和搅拌后，倒出样品进行分析，分析结果见表3。由表3可知，湖沥青替代品与湖沥青两者的性质相近，各项指标均满足湖沥青的技术要求。

表3 湖沥青替代品与湖沥青性质比较

2.2 湖沥青改性沥青的制备及评价

《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)(以下简称《规范》)中关于湖沥青改性沥青产品技术要求见表4。

表4 湖沥青改性沥青性质

以湖沥青为改性剂，以委油生产的AH-90作为基质沥青，制备含不同湖沥青量的改性沥青。工艺条件为搅拌温度180 ℃，搅拌时间0.5 h，制得的改性沥青性质见表5及图1。

由表5可知，随着湖沥青用量增加，改性沥青软化点升高，针入度降低。由图1可知，当湖沥青质量分数为12%～18%时，改性沥青针入度为4～6 mm，符合表4中TMA-50对针入度的要求。选择湖沥青质量分数为16%，制备样品分析，其针入度为5.1 mm。

在同样的工艺条件下，添加不同质量分数的湖沥青替代品，实验结果见表6及图2。由图2可知，当湖沥青替代品的质量分数为13%～21%时，改性沥青针入度为4～6 mm，符合表4中TMA-50对针入度的要求。选择湖沥青替代品的质量分数为18%，制备样品分析，其针入度为5 mm。

表5 不同质量分数湖沥青对改性沥青性质的影响温度/℃时间/hw (湖沥青)/%w (AH-90)/%针入度 (25 ℃)/(10-1 mm)软化点/℃1800.55957048.01800.510906349.21800.515855751.21800.520803855.0表6 不同质量分数湖沥青替代品对改性沥青性质的影响温度/℃时间/hw (湖沥青替代品)/%w (AH-90)/%针入度 (25 ℃)/(10-1 mm)软化点/℃1800.55957248.61800.510906650.11800.515855853.51800.520804256.61800.525753659.3

图1 湖沥青质量分数对改性沥青性质的影响 图2 湖沥青替代品质量分数对改性沥青性质的影响

对分别采用湖沥青和湖沥青替代品制备针入度5 mm左右的改性沥青，按照《规范》进行分析，结果见表7。由表7可看出，采用DOA制备的湖沥青替代品，针入度、动力黏度、PG等级、黏度等级等与湖沥青相当。综上所述，以DOA为原料制备湖沥青替代品是可行的。

表7 改性沥青的性质

2.3 高性能沥青混合料综合路用性能研究

对以湖沥青替代品制备的改性沥青混合料进行混合料路用性能试验研究，内容主要包括混合料的高温抗车辙性能、水稳定性能和低温抗裂性能等方面。

1)最佳油石比的确定。根据各种矿料配合比例及其毛体积密度，并结合以往经验，AC-20C最佳油石比按4.5%，对应的马歇尔试验数据见表8。根据表8试验结果，按照规范的要求计算AC-20C的有效沥青质量分数为3.87%，对应的粉胶比为1.3，对应的沥青膜有效厚度为9.4 μm。

表8 最佳油石比下马歇尔试验数据

2)高温稳定性能。采用车辙试验得出的动稳定度来评价改性沥青混合料的高温稳定性。试验结果见表9。

表9 混合料高温稳定性试验结果

由表9结果可见，混合料的马歇尔稳定度、流值及车辙试验的动稳定度，均达到了《规范》提出的沥青混合料的性能要求。由此可见湖沥青替代品混合料具有良好的高温抗车辙能力。

3)水稳定性能。根据《规范》的要求，沥青混合料的水稳定性能指标采用浸水马歇尔试验残留稳定度和冻融前后的劈裂强度比两个指标来评价。湖沥青替代品混合料浸水马歇尔试验中所测定的马歇尔残留稳定度和冻融劈裂试验中冻融劈裂强度比试验结果分别为91.5%和82.6%，均能满足现行《规范》在1-3-2区域的马歇尔残留稳定度和冻融劈裂试验中冻融劈裂强度比分别不低于85%和80%的要求。

4)低温抗裂性能。根据《规范》的要求，沥青混合料的抗低温开裂性能用低温弯曲试验的破坏应变指标来评价。湖沥青替代品混合料的低温弯曲试验的破坏应变试验结果为2115 με(-10 ℃)，满足《规范》在1-3-2区域要求的≥2000 με(-10 ℃)，表明湖沥青替代品混合料具有良好的低温抗裂性能。

3 结论

(1)以DOA和昆仑AH-70沥青为原料，复配一定质量的无机矿物质，制备出的硬沥青母体与湖沥青的性质相似。(2)分别以湖沥青和湖沥青替代品为改性剂，昆仑AH-90为基质沥青，在同样的工艺条件下，制备的改性沥青在针入度、PG等级、黏度等级等方面均与湖沥青相当，因此以DOA为原料制备湖沥青替代品是可行的。(3)通过车辙试验评价了沥青混合料的高温稳定性，通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验评价了混合料的水稳定性，通过低温弯曲试验评价了沥青混合料的低温抗裂性。结果表明，DOA制备的湖沥青替代品混合料的路用性能完全满足《规范》的相应要求。